Elektronika | Felsőoktatás » Varga László - A tranzisztor felépítése és áramegyenletei

2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei A tranzisztor felépítése és áramegyenletei Tartalomjegyzék 1. A tranzisztor felépítése2 1.1 A tranzisztor feszültségei és áramai3 1.2 A tranzisztor működése4 1.21 PNP tranzisztor működése4 1.211 CB előfeszítés4 1.212 BE dióda előfeszítése5 1.22 A tranzisztor áramegyenletei6 1.23 NPN tranzisztor működése7 2. A tranzisztorhatás8 2.1 Földelt bázisú alapkapcsolás8 2.2 Földelt emitteres alapkapcsolás10 2.3 Földelt kollektoros alapkapcsolás11 2.4 Alapkapcsolások fontosabb ismérvei11 2.5 Kiveszi a vízbű a zoxigént11 3. Kiegészítés13 3.1 Váltakozó áramú és egyenáramú vizsgálat13 3.2 A tranzisztor helyettesítőképe13 1/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 1. A tranzisztor felépítése A bipoláris rétegtranzisztor1 egy két PN átmenetet tartalmazó, három kivezetéssel ellátott félvezető eszköz.

Felépítését tekintve a rétegek elrendezése szerint lehet NPN, vagy PNP típusú Az 1. ábrán láthatunk egy NPN, míg a 2 ábrán egy PNP elrendezést2 A középső – bázis – réteg nem véletlenül lett kisebb szélességgel ábrázolva – a gyakorlatban ez egy gyengébben szennyezett vékony réteg.3 Az NPN tranzisztor rajzjelét a 3 ábra, míg a PNP rajzjelét a 4 ábra mutatja Az egyes kivezetések elnevezései: emitter (kibocsájtó), bázis (alap), kollektor (gyűjtő). A bázis a középső elektróda. A nyíl a diódához hasonlóan a technikai áramirányt jelöli – a nyíl mindig a bázis és az emitter között van, NPN tranzisztor esetén a bázisból az emitterbe, PNP tranzisztor esetén az emitterből a bázisba mutat (5. és 6 ábra) N P N P N P E B C E B C 1. ábra: NPN tranzisztor elrendezése 2. ábra: PNP tranzisztor elrendezése C B 3. ábra: NPN B E 4. ábra: PNP C 5. ábra: NPN E 6. ábra: PNP Korábban a diszkrét

tranzisztorokat bekarikáztuk, azonban az MSZ EN 60617 szabvány alapján ez ma már nem szükséges. 1 A jegyzetben a továbbiakban erre az alkatrészre csak mint tranzisztor fogunk hivatkozni. A szakmában elterjedt terminológia szerint amennyiben tranzisztorokról beszélünk mindig a bipoláris tranzisztort értjük a kifejezés alatt, az unipoláris (térvezérlésű) tranzisztorok esetén mindig kötelező kitenni a jelzőt, vagy a konkrét típust (pl. FET, JFET, MESFET, MOSFET). 2 A kialakuló PN átmeneteket és a megfelelő előfeszítéseket később tárgyaljuk. 3 A „miértet” a 1.212 fejezetben részletesen ismertetjük 2/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 7. ábra: NPN tranzisztor különböző helyzetekben Az alkatrészt a kapcsolási rajzokon – amennyiben szükséges – el tudjuk forgatni 90º-onként (7. ábra) A 8. ábrán egy BC337 típusú tranzisztor fizikai megjelenését látjuk.4 8. ábra: TO-92

tokozás 1.1 A tranzisztor feszültségei és áramai Egy tranzisztor esetében a következő elemi villamos jelekkel találkozhatunk: • Áramok ➢ Emitteráram (IE). ➢ Bázisáram (IB). ➢ Kollektoráram (IC). • Maradék áramok ➢ Kollektor-bázis maradékáram (ICB). ➢ Emitter-bázis maradékáram (IEB). ➢ Kollektor-emitter maradékáram (ICE). • Feszültségek ➢ Bázis-emitter nyitóirányú feszültség (UBE). ➢ Kollektor-bázis záróirányú feszültség (UCB). ➢ Kollektor-emitter feszültség (UCE). ➢ Emitter-bázis záróirányú feszültség (UEB). A későbbiekben minden egyes mennyiségről részletesen szót ejtünk. Itt csupán azért soroltuk fel őket, hogy el tudjuk helyezni a jegyzetben szereplő mennyiségeket. 4 Az itt bemutatott tokozást TO-92 kódnéven ismerjük. A TO a Transistor Outline kifejezésre utal Természetesen tranzisztorokkal számos egyéb tokozásban is találkozhatunk – ezekről találunk leírást a Moodle rendszerben.

3/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei A gyártók abban állapodtak meg, hogy az NPN tranzisztor jelöléseit alkalmazzák minden típusra, így pl. egy NPN tranzisztor esetén UBE = 0,7 V, de egy PNP tranzisztor esetén a bázis-emitter nyitófeszültséget a következőképpen kell megadni: UBE = - 0,7 V. Vagyis az UBE feszültség tényleges iránya nem a bázisból az emitterbe mutat, hanem mindig olyan irányba, hogy a BE dióda nyitóirányba legyen előfeszítve (ez egy NPN tranzisztor esetén B E, azonban PNP tranzisztornál E B). Hasonlóan az UEB feszültség5 egy NPN tranzisztor esetén E B, azonban PNP tranzisztornál, miután ez az érték negatív előjelű lesz, ezért a bázis potenciálja magasabb lesz, mint az emitteré. 1.2 A tranzisztor működése Az idei évben a tranzisztort erősítőüzemben alkalmazzuk. Egy másik üzemmódja a félvezetőnek amikor kapcsoló elemként kerül felhasználásra

(kapcsolóüzem). Az erősítőüzem a legjelentősebb alkalmazási példáról az erősítőről kapta az elnevezését, azonban fontos tudunk, hogy erősítő üzemben a tranzisztor még számos más feladatra is felhasználható (szabályozó elemként, áramgenerátorként, stb.) Ahhoz, hogy a tranzisztor erősítőüzemben működjön a bázis-emitter (BE) átmenetet nyitó, a kollektor-bázis átmenetet (CB) záróirányban kell előfeszítenünk. 1.21 PNP tranzisztor működése 1.211 CB előfeszítés N - P + - + + + + - + + + + + + + + + + + + + + ICB0+ + + + + + + - - Elsőként PNP tranzisztorra vizsgáljuk meg a működést. Az 9 ábrán láthatjuk, ahogy a kollektor-bázis átmenetre záróirányú feszültséget csatlakoztattunk. A tranzisztor harmadik szennyezett rétegét egyelőre meg se rajzoltuk. Így talán még jobban látszik, hogy a kollektor-bázis átmenet felfogható egy diódaként is.6 A feszültséggenerátoron a jelölés nagyon fontos, hogy nem

UBC, hanem - UCB, mert ahogy arról korábban már volt szó az NPN tranzisztor jelöléseit tekintjük irányadónak. A bázis egy gyengén szennyezett vékony N típusú félvezető, míg a kollektort alkotó P réteg az N-nél jóval vastagabb és erősebben szennyezett kialakítású – ez a későbbi működés szempontjából elsődleges. A záróirányú előfeszítés hatására a diódánál már tanult kis értékű záróirányú (drift) áram indul meg. A záróirányú áramokat a tranzisztoroknál maradékáramnak nevezzük. Az ICB0 tehát egy maradékáram, ami a kollektor és a bázis között folyik7, akkor amikor az emitteren nulla az áram értéke8. + + + - + + + + + + + + + + + + + + + -+ + C IC B IB - + -UCB 9. ábra: PNP tranzisztor CB átmenetének záróirányú előfeszítése 5 Ami egy határérték, a BE dióda maximális záróirányú feszültsége. 6 Az egyes PN átmenetekre a tranzisztorban (bázis-emitter; kollektor-bázis) gyakran

hivatkoznak diódaként is a szakirodalmak pl: bázis-emitter dióda. 7 Erre utal az indexben a CB jelölés. 8 Erre utal az indexben a 0 jelölés. 4/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei Miután az N típusú szennyezés során a lyukak a kisebbségi töltéshordozók, ezért ők hozzák létre az ICB0 áramot.9 1.212 BE dióda előfeszítése A bázis-emitter PN-átmenetet nyitó irányban kell előfeszítenünk. Ehhez már megrajzoltuk, a korábban ismertetett PNP tranzisztor harmadik rétegét is. A BE diódán – a nyitó irányú előfeszítés hatására – az emitterből a bázisba indul egy IE jelzésű nyitóirányú diffúziós lyukáram (a P rétegben a többségi töltéshordozók a lyukak10). Ennek az áramnak egy kis része rekombinálódik a bázisban, azonban miután a bázis gyengén szennyezett és vékony réteg a nagy sebességgel érkező lyukak többsége a CB feszültség hatására átjut a kollektorba. A

CB záróirányú feszültség a lyukakra ugyanis gyorsító hatással van, hiszen az N rétegben a lyukak voltak a kisebbségi töltéshordozók. Az emitterből kiinduló áram (lazac szín) nagyobbik része tehát átjut a kollektorba (zöld szín), míg kisebb része a bázisba folyik (fekete szín). Megfigyelhetjük, hogy a bázisáram iránya a 9. és 10 ábrán ellentétes Azért fordult meg az áram iránya, mert az emitterből a bázisba folyó áram nagyobb értékű, mint az ICB0 maradékáram. A 10. ábrán látható, hogyan alakulnak az áramok a tranzisztorban BE nyitó- és CB záróirányú előfeszítése esetén. A 11 ábrán a jobb áttekinthetőség érdekében a töltéshordozókat már nem jelöltük, csak az áramokat. Az emitterből kiinduló áram A-szorosa jut át a kollektorba A maradék rész, az eredeti emitteráram (1-A)-szorosa kerül a bázisba.11 Miután a kollektorba átjutó rész jóval nagyobb, mint ami a bázisban rekombinálódik, ezért A≈1.12

Az A-t – ami megmutatja, hogy az emitteráram hányszorosa jut át a kollektorba – a tranzisztor földelt bázisú13 egyenáramú áramerősítési tényezőjének nevezzük. Egyenáramú, hiszen végig DC áramokról beszéltünk, az áramerősítés kifejezés pedig azért indokolt, mert a kimeneti áram (IC) és a bemeneti áram (IE) között teremt kapcsolatot. N P + + E IE + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -+ + - -UBE + - + + - IB + P + - - + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -+ + C IE E IC A⋅I E IB - - + -UCB -UBE I CB0 B - + -UCB 11. ábra: PNP tranzisztor működése II Fontos, hogy visszaemlékezzünk arra, hogy a záróirányú áram a kisebbségi töltéshordozók árama. Fontos, hogy visszaemlékezzünk arra, hogy a nyitóirányú áram a többségi töltéshordozók árama. I E− A⋅I E =I E⋅(1− A) . Miután a bázisban mindenképpen

rekombinálódik az emitteráram egy kis része, ezért – elvi szinten is – A<1. A későbbiekben tisztázzuk ezt a kifejezést. 5/13 C IC (1−A)⋅I E IE B + P + + + 10. ábra: PNP tranzisztor működése I 9 10 11 12 13 N P + 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 1.22 A tranzisztor áramegyenletei A 11. ábrából kiindulva a következő egyenleteket tudjuk felírni az áramokra: • Jól látható, hogy az emitterből kiinduló áram fedezi a bázisba és a kollektorba befolyó áramot14: I E =I B+I C • (1) Az emitteráram nagy része a záróirányú CB gyorsítófeszültség miatt a kollektorba sodródik, valamint ide folyik be a bázisból a kisértékű záróirányú kollektor-bázis maradékáram is: I C=A⋅I E +ICB0 • (2) A bázisba az emitteráram kisebb része jut, valamint innen folyik kifelé a kisértékű záróirányú kollektor-bázis maradékáram is: I B =(1−A)⋅I E −I CB0 (3) Az

1. egyenlet alapján amennyiben a 2 és 3 egyenleteket összeadjuk IE-t kell kapnunk eredményül: A⋅I E +I CB0 +(1−A)⋅I E−I CB0 =A⋅I E+ICB0+(1−A)⋅I E −I CB0 =A⋅I E +(1−A)⋅I E= A⋅I E +I E −A⋅I E=A⋅I E+I E−A⋅I E=IE A 2. egyenlet a kollektor és az emitter, a 3 egyenlet a bázis és az emitter között teremt kapcsolatot. A kettőt egyesítve megkapjuk a kollektor és a bázis közötti kapcsolatot A 3. egyenletből fejezzük ki IE-t, majd helyettesítsük be a 2 egyenletbe: I B =(1−A)⋅I E−ICB0 I E = I B +I CB0 1−A I +I A I C =A⋅ B CB0 +I CB0 = ⋅(I +I )+I =B⋅I B+B⋅I CB0+I CB0 =B⋅I B +I⏟ CB0⋅(B+1) 1−A 1−A ⏟ B CB0 CB0 ICE0 B A végeredmény tehát: I C=B⋅I B +I CE0 . A tag helyett az egyenletben B-t írtunk. Ez a mennyiség lesz majd a tranzisztor 1−A földelt emitteres egyenáramú áramerősítési tényezője. Miután A≈1, B-re nagy értéket kapunk (a gyakorlatban 10÷1000). Az ICE0 az ICB0-hoz hasonlóan

maradékáram jellegű mennyiség – ekkora áram folyik a kollektoron, ha a bázisáram nulla értékű15. Az áramegyenleteket változásra, ill. váltakozó jelekre is fel tudjuk írni Ekkor az A helyett αát a B helyett β-át kell írnunk az egyenletekbe Ezek lesznek a tranzisztor váltakozóáramú áramerősítési tényezői. A katalógusok sok esetben csak a B-t adják meg (hFEDC néven16) Kijelenthetjük, hogy a mai modern tranzisztorok esetén kisfrekvencián17 az A ≈ α, a B ≈ β. Az egyenáramú áramerősítési tényezőre gyakran nagyjelűként, míg a váltakozóáramú áramerősítési tényezőre gyakran kisjelűként hivatkozunk.18 Az 14 Az ICB0 maradékáramnak ebből a szempontból nincs jelentősége, hiszen a bázisáramba folyó részből levonódik, a kollektoráramba folyó részhez pedig hozzáadódik, ezáltal az egyenletünk nem változik. 15 Az I C =B⋅I B +I CE0 egyenletből is ez következik. ICE0-t, mivel jóval kisebb, mint B⋅I B gyakran

elhanyagoljuk 16 Az elnevezés a későbbiekben tárgyalt h paraméteres helyettesítőkép jellemzőjére utal. 17 A frekvencia nagymértékű növelésével ( n⋅100 kHz ; MHz ) a β értéke jelentősen csökkenhet. 18 Ezek az elnevezések a vezérlések fajtájára utalnak. 6/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 1.23 NPN tranzisztor működése A tranzisztor működését a PNP típusú tranzisztoron keresztül mutattuk be. Fontos P N megértenünk, hogy az NPN tranzisztor is teljesen hasonlóan viselkedik, mindössze a + + + villamos jelek irányait kell megfordítanunk. A + 12. ábrán bejelöltük az erősítőüzemhez + szükséges záróirányú CB előfeszítést. Az ICB0 + C - - záróirányú áramot most az elektronok adják, + hiszen a bázisban (P réteg) az elektronok a - - - kisebbségi töltéshordozók. Megállapodás + - - I C szerint az áram iránya a pozitívtól a negatív -ICB0 + felé halad. Miután az

elektronok a negatív + - + töltéshordozók, ezért a -ICB0 a megegyezés szerinti áramiránnyal ellentétes lesz.19 Az IB és B IC irányait a megállapodás szerinti IB áramirányok alapján vettük fel, ami ellentétes az elektronok (negatív töltések) által létrehozott (-ICB0) áram irányával20. + A 13. ábrán lazacszínű vonallal UCB ábrázoltuk az emitterből kiinduló nyitóirányú áramot, amit az elektronok hoznak létre.21 12. ábra: NPN tranzisztor CB átmenetének Kisebb részük rekombinálódik a bázisban záróirányú előfeszítése (fekete vonal)22, nagyobb részük azonban a CB záróirányú előfeszítése miatt átsodródik a kollektorba (zöld vonal). Ne feledjük, hogy miután az elektronok az emitterből a bázisba jutottak, kisebbségi töltéshordozóvá válnak, hiszen a bázis P szennyezettségű, így ezekre a töltéshordozókra a CB feszültség gyorsító hatást fejt ki. P N - E IE - - - - - - + - - - - + - - - - + -

+ - + + - + - - - + - + - N + + - - + - - - + - - - - - C −I E E IE IC A⋅(−I E ) (1−A)⋅(−I E ) B UBE + C IC −ICB0 B IB - N - - + - P N - IB UCB - + + UBE 13. ábra: NPN tranzisztor működése I - + UCB 14. ábra: NPN tranzisztor működése II 19 Ez indokolja a negatív előjelet. 20 Pont ezért magyaráztuk el inkább a PNP tranzisztor működését korábban részletesen, hiszen ott a lyukak (a pozitív töltéshordozók) indulnak ki a bázisból, ill. a BE átmenetnél az emitterből 21 Hiszen N típusú félvezető esetén az elektronok a többségi töltéshordozók és nyitóirány esetén ők alkotják majd a diffúziós áramot. 22 Bár az emitteráramnak csak kis része jut a bázis elektródára, ez még mindig jóval nagyobb érték, mint az I CB0 záróirányú áram, ezért fordul meg a bázisáram iránya a 12. ábrán megadotthoz képest 7/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése

és áramegyenletei A 14. ábrán a töltéshordozók helyett csak az áramokat jelöltük A negatív előjelet az indokolja, hogy az áramvezetésben most az elektronok vesznek részt. Az elektródákon a megegyezés szerinti áramirányt jelöltük. Az áramegyenletek megegyeznek a PNP-nél már megadottakkal. 2. A tranzisztorhatás Eddig még nem láttunk semmi olyat ettől az új áramköri elemtől, ami indokolná, elengedhetetlenné tenné használatát. Most megvizsgáljuk, mitől is olyan különleges elem a tranzisztor, hogyan képes erősítésre. Korábban már találkoztunk olyan áramköri elemmel (transzformátor), ami képes volt nagyobb feszültséget, vagy nagyobb áramot előállítani a kimenetén, mint amit a bemenetére adtunk! Fontos azonban tisztázni, hogy a transzformátor amennyivel nagyobb áramot állított elő a kimenetén annyival kisebb feszültség volt itt mérhető, és ez fordítva is igaznak bizonyult, amennyiben a kimeneten nagyobb feszültséget

tapasztaltunk, akkor az áram csökken ugyanolyan mértékben. Ez azt jelenti, hogy a transzformátor be és kimeneti teljesítménye megegyezett, vagyis teljesítménynövekedésről nem beszélhetünk. 23 Ez az, amiben újdonságot fog jelenteni a bipoláris tranzisztor, ami képes a kimenetén a bemenetére adottnál nagyobb teljesítmény előállítására is. 2.1 Földelt bázisú alapkapcsolás A 15. ábrán látható kapcsolásban a tranzisztor BE átmenetét nyitó, CB átmenetét pedig záróirányban feszítettük elő, ahogy eddig is. Egy jelgenerátort kötöttünk a BE előfeszítést biztosító generátorral sorba (ez szolgáltatja majd a bemeneti jelet), valamint beiktattunk egy ellenállást a kollektorkörbe (erről vesszük le a kimeneti jelet). Azért, hogy a munkapontot ne befolyásoljuk a bemeneti feszültségnek a munkaponti adatokhoz képest kis értékűnek kell lennie24, vagyis kisjelű vezérlést feltételezünk. Az RC ellenállást munkaellenállásnak

nevezzük, mert a kollektor áram rajta hozza létre a kimeneti feszültséget. N P I E +Δ I E P A⋅(I E+ Δ I ) E E C IC IE RC IB - + -UBE ~ Ube B Uki - + -UCB 15. ábra: FB alapkapcsolás Tételezzük fel, hogy a jelgenerátor éppen a pozitív félperiódusban van, vagyis a pillanatérték hozzáadódik az eredeti előfeszítéshez. Ezáltal megnő az UBE feszültség. Ez magával vonzza az IE növekedését is, hiszen a 16. ábrán is láthatjuk, az UBE-IE karakterisztika valójában egy dióda nyitóirányú szakasza.25 A 15 ábrán látható IE áram tehát jelenleg az eredeti -UBE feszültség által biztosított IE áram és a bemeneti feszültség által biztosított kisértékű26 ΔIE áram összege. 23 Itt most ideális transzformátort vettünk alapul, a valóságban a szekunder oldalon mért teljesítmény mindig kisebb, mint a primer oldalon betáplált, hiszen ennek az alkatrésznek is vannak veszteségei. Mindemellett érdemes megjegyezni, hogy a

transzformátor csak váltakozóáramú jelekre működik, DC-re nem. 24 Miután az UBE0 feszültség, vagyis a BE átmenet nyugalmi (vezérlés nélküli) munkaponti feszültsége 600 mV körül van, a vezérlőjel néhány mV, esetleg néhány 10 mV nagyságrendbe esik. 25 Hiszen a BE átmenetet nyitóirányban feszítjük elő. 26 Kisjelű vezérlést feltételezünk – vagyis a vezérlőjel sokkal kisebb, mint a munkaponti adatok. Így nem kell jelentős munkapont eltolódással számolnunk. 8/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei Az IE A-szorosa sodródik át a kollektorba és ez fogja alkotni az IC áramot. A < 1, vagyis itt még nem beszélhetünk erősítésről – sőt az I C =A⋅(I E+Δ I E ) egyenlet alapján áram tekintetében kismértékű csillapítást tudunk megállapítani.27 IE UBE 16. ábra: UBE-IE karakterisztika A kollektorkörben záróirányú előfeszítést alkalmaztunk a -UCB generátor

segítségével. A záróirányú feszültség jóval nagyobb28 lehet, mint a nyitóirányú (0,6 V). Az RC-n eső kimeneti feszültséget ebből a záróirányú feszültségből tudjuk fedezni, így az igen kismértékű bemeneti feszültség nagy kimeneti feszültséget eredményezhet. Miután a kimeneti Δ I C⋅R C egyenlet határozza meg, a feszültséget a feszültségerősítést RC értékével tudjuk beállítani.29 A vezérlőjel negatív félperiódusára ugyanígy levezethető a folyamat (kismértékben Ube↓ UBE↓ IE↓ IC↓ nagymértékben Uki↓). A ki- és bemeneti feszültség egymással fázisban van (ha Ube nő, akkor Uki is nő, ha Ube csökken, Uki is csökken).30 A 15. ábrán látható alapkapcsolást a tranzisztor földelt bázisú (FB), vagy közös bázisú alapkapcsolásának nevezzük. Az elnevezés arra utal, hogy az egyik elektródának (itt a bázisnak), a vezérlő generátornak és a kimeneti feszültséget biztosító RC-nek van egy közös

pontja – ezt jelöltük is az ábrán.31 A földelt bázisú alapkapcsolásnak a fentiek szerint az áramerősítése közel 1 (A ≈ 1), a feszültségerősítése pedig nagy. A későbbiekben majd részletesen ismertetjük a földelt bázisú erősítő előnyeit és hátrányait, itt most csupán a két legfontosabb jellemzőjét említenénk meg. Gondot okozhat, hogy a vezérlő generátort az emitterkörbe kellett elhelyeznünk, így rajta átfolyik a viszonylag nagy értékű IE munkaponti áram is. Ez azt jelenti, hogy a vezérlő generátornak megfelelően nagy teljesítménnyel kell rendelkeznie ahhoz, hogy ezt az áramértéket meg tudja változtatni – ez egyértelmű hátrányt jelent.32 Előnye azonban az alapkapcsolásnak a nagyon jó nagyfrekvenciás tulajdonság.33 Fontos, hogy megértsük, hogy a munkapont beállításon semmit sem változtattunk, most is a BE átmenetet nyitjuk ki és a CB átmenetet zárjuk le. A jelerősítést ezen adatok kismértékű

megváltozásán keresztül vezettük le. A továbbiakban is ún AC erősítőkkel fogunk foglalkozni34, vagyis jól el tudjuk majd különíteni a munkaponti adatokat (DC) a vezérléstől (AC). A tranzisztorhatás tárgyalása során elkövettünk egy hibát, miszerint az A tényezőt alkalmaztuk az egyenáramú és a váltakozóáramú áramerősítés felírására is ( A⋅(I E+Δ I E ) ). A ΔIE-hez valójában az α tényezőt kellett volna alkalmazni. Ez azonban a működés leírásán nem változtatott volna – mindemellett kisfrekvencián α ≈ A, így az egyszerűség kedvéért mind egyen, mind váltakozóáramú szempontból az A tényezőt vettük figyelembe. 27 28 29 30 31 32 Az itt megfogalmazottak miatt hívtuk korábban az A szorzótényezőt áramerősítési tényezőnek. Több tíz, esetleg több száz volt is. Ügyelnünk kell arra azonban, hogy a kollektor-bázis dióda még záróirányba legyen előfeszítve. A 15. ábrán is jól látható, hogy a bemeneti

feszültség pozitív iránya megegyezik a -UBE feszültség irányával Az egyenfeszültségű -UCB generátor váltakozóáramú szempontból rövidzárnak minősül (részletekért l. 13 fejezet) Gyakran pont azért alkalmazunk erősítőket, mert a vezérlőgenerátornak a teljesítménye nagyon kis értékű, ebben az esetben nem előnyös a földelt bázisú alapkapcsolás. 33 A későbbiekben majd látni fogjuk, hogy a felső határfrekvenciája az áramkörnek a földelt emitteres alapkapcsolás β-szorosa. 34 Bár a tranzisztor erősíthet DC jelet is az itt felvázolt logika szerint, az elektronikában tranzisztoros DC erősítőket nem alkalmazunk, mert a később tárgyalt műveleti erősítők ezen szempontból sokkal jobb paraméterekkel rendelkeznek. 9/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 2.2 Földelt emitteres alapkapcsolás Helyezzük át a vezérlő jelet biztosító generátort az emitterkörből a báziskörbe

(17. ábra)! A feszültségerősítés a földelt bázisú alapkapcsolással megegyező módon C E jön létre – a BE körben lévő feszültséget kismértékben megváltoztattuk. Ennek hatására I I módosul az IC áram, majd ez a kollektoráram R U változás fogja létrehozni az RC-n a kimeneti B I feszültséget: Δ I C⋅R C , amit a CB záróirányú ~ U feszültség fog fedezni. A vezérlőgenerátoron most nem az IE, hanem az IB folyik keresztül. + + Ez azt jelenti, hogy a -UBE feszültség -U -U megváltozáshoz most az IE-vel szemben az IB-t 17. ábra: FE alapkapcsolás kell módosítanunk. A bázisáram és a kollektoráram között – változásra – a β teremt kapcsolatot: I C =β⋅I B .35 Ebből következik, hogy a földelt emitteres alapkapcsolás áramerősítése nem egységnyi, mint a földelt bázisúé, hanem nagy érték (β). A földelt emitteres alapkapcsolás előnye tehát a földelt bázisúval szemben, hogy van áramerősítése (Ai) is, így a

teljesítményerősítése ( A p=Ai⋅A u ) jóval nagyobb. A vezérlőgenerátoron jóval kisebb áram folyik, mint a földelt bázisú alapkapcsolásban (IB<<IE). Figyeljük meg a 17. ábrán, hogy a bemeneti feszültség pozitív iránya a bázisárammal ellentétes irányú áramot eredményez!36 Ez azt jelenti, hogy amikor a bemeneti feszültség növekszik, akkor a bázisáram csökken. Így a kollektoráram ( I C =β⋅I B ) is csökkenni fog, ami a kimeneti feszültség ( Δ I C⋅R C ) csökkenését eredményezi. Vagyis amikor a bemeneti feszültség csökken, akkor a kimeneti feszültség növekszik, és persze a folyamat fordítva is igaz, ha a bemeneti feszültség csökken, akkor a kimeneti feszültség növekszik. Azt mondjuk, hogy az áramkör fázist fordít (φ = -180º).37 A földelt emitteres elnevezés arra utal, hogy az emitter elektróda a közös pontja a vezérlésnek és a munkaellenállásnak.38 P N P C E C ki B be BE CB 35 Az ICE0

maradékáramot elhanyagoltuk. 36 Generátoron az áram és a feszültség iránya egymással ellentétes. 37 Az előjel nagyon fontos, mert mindig a kimeneti feszültséget viszonyítjuk a bemenetihez képest. Amennyiben pozitív fázisszögről beszélnénk, az azt jelentené, hogy a kimeneten előbb jelenik meg a változás, mint a bemeneten – ez pedig megszegné a kauzalitás törvényét. 38 Ne feledjük el, hogy az egyenáramú generátor váltakozóáramú szempontból rövidzár! 10/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 2.3 Földelt kollektoros alapkapcsolás N P C E IC I E Uki Helyezzük át a munkaellenállást (RC) az emitterkörbe (RE) (18. ábra)! A bemeneti feszültség az FE alapkapcsoláshoz hasonlóan most is az IB/-UBE párost változtatja. A kimeneti feszültséget az IE áram ejti az RE ellenálláson. Az IB áram kis megváltozása nagy IE áram változást eredményez.39 Így az alapkapcsolás

áramerősítése nagy. Miután mind a bemeneti, mind a kimeneti feszültség a BE körben helyezkedik el, ezért az áramkör feszültségerősítése közel egységnyi. Ha Ube ↑ IB ↓ IE ↓ Uki ↑. Vagyis a fázisszög: 0º. P RE IB B ~ Ube - + - + -UBE -UCB 18. ábra: FC alapkapcsolás 2.4 Alapkapcsolások fontosabb ismérvei Az 1. táblázatban összefoglaltuk, hogy mi az amit megtudtunk az egyes alapkapcsolásokról Bemenet40 Kimenet41 Áramerősítés Feszültség erősítés Fázistolás Emitter és föld között Kollektor és föld között ≈1 nagy 0º FE Bázis és föld alapkapcsolás között Kollektor és föld között nagy nagy -180º FC Bázis és föld alapkapcsolás között Emitter és föld között nagy ≈1 0º FB alapkapcsolás 1. táblázat 2.5 Kiveszi a vízbű a zoxigént42 Pbe Erősítő Pki Pki>Pbe 19. ábra: Erősítő modell 39 40 41 42 43 44 Eddig nem hangsúlyoztuk ki, de a tranzisztor, és a belőle

felépített áramkör természetesen nem egy „ingyenenergia gép”. Ezért a 19 ábrán látható jelölés meglehetősen slendriánnak hat. Úgy tűnhet, hogy az erősítő nagyobb teljesítmény leadására képes, mint amit felvesz. Ez azonban nem igaz A kimeneti teljesítménye valóban nagyobb, mint a bemeneti teljesítmény, azonban ezt a tápból tudja csak fedezni43, így – a veszteségeket is számítva – a leadott teljesítmény mindig kisebb lesz, mint a befektetett teljesítmény.44 Az IE ≈ IC (mivel IB<<IC, ezért ebben a felírásban IB-t elhanyagoltuk) és I C =β⋅I B . Ide csatlakoztatjuk a vezérlést. Ide kötjük a terhelést. Szalacsi Sándor. Vagyis a 19. ábrába be kellene jelölnünk egy Pt befektetett teljesítményt is Ez az energiamegmaradás törvényéből következik. 11/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei A korábbi kapcsolásainkban a bemeneti jelet a vezérlőgenerátor

szolgáltatta, azonban a jelerősítés folyamata nem jöhetett volna létre a megfelelő munkapont beállítást biztosító egyenfeszültségű generátorok nélkül. Egy otthoni példát is hozhatunk, biztos mindenki használt már valamilyen gyári erősítőt (esetleg egy HiFi-vel egybeépítve). Gondoljunk bele, mennyire lenne hatásos, ha a bemeneti jelet biztosítanánk az eszköznek (pl. egy LAPTOP kimenetét a LINE bemenetre csatlakoztatnánk), de nem csatlakoztatnánk a 230 V-os hálózatba!45 A 19. ábrán látható jelölés azonban mégis elterjedt a szakmában, mert a táp jelölése – főleg bonyolult áramköröknél – még a blokkvázlatokban is eléggé nehézkes lehet. Elvárt azonban egy szakembertől, hogy – még ha a jelölésben nem is szerepel – tudja, hogy az erősítéshez külső tápfeszültség szükségeltetik. Az erősítőket blokkvázlatban a 20. és a 21. ábrán látható jelöléssel szokták leggyakrabban alkalmazni. A 20 ábrában lévő

relációs jel arra utal, hogy a kimeneti teljesítmény nagyobb, mint a bemeneti, míg a 21. ábrán lévő háromszög az erősítő általános rajzjele. 20. ábra: Erősítő jelölése I. 21. ábra: Erősítő jelölése II. 45 Ezek az erősítők ugyanis a hálózatból fedezik a munkapont beállításhoz és a jelerősítéshez szükséges energiát. A váltakozóáramú jelet megfelelő értékűre transzformálják, majd a korábban már tanul egyenirányító segítségével DC jelet állítanak elő a munkapont biztosításához (természetesen az egyenirányított jelet még megfelelően stabilizálják is, később tanult áramköri részek segítségével). 12/13 2018. október 29 Varga László A tranzisztor felépítése és áramegyenletei 3. Kiegészítés 3.1 Váltakozó áramú és egyenáramú vizsgálat Megbeszéltük, hogy a munkapont beállítása mindig DC, míg a vezérlésünk jelenleg AC jelet takar. Sohasem szabad összekeverni a vezérlést és a

munkapontot, jelen esetben a DC és AC összetevőket. Külön-külön fogjuk megvizsgálni minden áramkörben a DC munkapont beállítást és az AC vezérlő generátor hatására történő erősítési folyamatot. Nagyon fontos tehát, hogy külön tudjuk választani a DC és AC összetevőket egy komplex jelnél, ill. tudjuk, hogy az egyes áramköri elemek hogyan viselkednek AC, ill. DC jelek hatására A 2. táblázatban összefoglaltuk a legfontosabb tudnivalókat Alkatrész DC szempontból AC szempontból Egyenáramú generátor46 egyenáramú generátor rövidzár rövidzár váltakozóáramú generátor ellenállás ellenállás Kondenzátor49 szakadás rövidzár Tekercs50 rövidzár szakadás Váltakozóáramú generátor Ellenállás 47 48 2. táblázat 3.2 A tranzisztor helyettesítőképe C B DCB Egyenáramú szempontból a tranzisztort magyarázataink során a 22. látható két diódával helyettesítettük51 Vigyázzunk azonban, ez a modell nem

magyarázza a tranzisztorhatást (vagyis a jelerősítés folyamatát)52. Két dióda összekötéséből természetesen sohasem lesz tranzisztor! A tranzisztor váltakozóáramú helyettesítőképét a későbbiekben az erősítők témakörében fogjuk tárgyalni.53 DBE E 22. ábra: NPN modell 46 A tiszta egyenáramú generátor nem tartalmaz váltakozóáramú jelet, vagyis váltakozóáramú összetevője 0 V. 47 A tiszta váltakozóáramú generátor nem tartalmaz egyenjelet, vagyis egyenösszetevője 0 V. 48 Frekvencia független elem. 1 49 X C= . ω⋅C 50 X L=ω⋅L . 51 Egy PNP modelljében a diódák fordított polaritással szerepelnének. 52 Az U CE=U BE+ U CB és az I E=I B +I C összefüggés pl. felírható belőle, de az I C =B⋅I B már nem 53 Ismertetésre kerül majd a hibrid paraméteres helyettesítőkép, az Ebers-Moll és a Gummel-Poon modell is. 13/13